军一度以为萨曼军准备要投降了。
当唐军快靠近城墙时，萨曼军突然反击，同突火枪和弓箭向唐军射去，唐军也立即还击，经过持续对战，唐军的火力优势发挥出来，在城墙抵抗的萨曼军逐步被消灭，唐军开始从城墙的缺口攻入城内。
城内的萨曼军很顽强，逐个街区的跟唐军争夺，但是随着入城的唐军越来越多，萨曼军的死伤越来越惨重。
萨曼四兄弟看到不是唐军的对手，开始集中兵力朝南门突围，南门附近本有一些围城的唐军，与突围的萨曼军展开了激烈的对战。经过一番激战，萨曼军留下大量尸体后，还是有一部分人突围而去，一路向东南方向狂奔。
经过一天的激战，唐军彻底占领安息城，剩下的萨曼军全部投降，李愬率军入城后，将俘虏关押起来，然后命令唐军就地休整。唐军休整期间，李愬从原安国的粟特贵族中挑选归顺唐朝的首领，在安息城恢复秩序，建立一个临时政府，并留下一个契胡团负责监管。在补充了一些物资后，唐军继续向东南方向进军，追击萨曼残军。
萨曼残军沿着阿姆河向东逃跑，进入吐火罗一带，最后在步师城(今塔吉克斯坦库尔干秋别以南)召集残余部队，企图在这里进行最后的顽抗。唐军尾随到达步师城，刚包围城市不久，还没开始炮击，城上就打起白旗，发出投降的信号。李愬刚开始还不信，以为有诈，派出使者去了解一下情况。
原来，萨曼兄弟并不得人心，完全依靠武力实现对当地的统治，经过几轮战斗，萨曼家族的军队损失殆尽，在步师城内只聚拢了一万多军队。吐火罗人明知不是唐军的对手，不愿继续追随萨曼家族，城内的士兵也知道唐军的厉害，畏战心理严重，萨曼兄弟看到形势无法挽回，觉得与其到最后下场凄惨，不如早点投降。
唐军拿下步师城以后，就相当于彻底征服萨曼王朝，李愬认为原先的计划有点理想化，唐军经过多**战，损失较大，不宜分兵，决定继续合兵一处，进攻塔希尔王朝。
李愬认为，既然已经攻下萨曼王朝，继续留着那些俘虏就没啥意义，让斥候传令将以前俘虏的萨曼士兵遣散，但是继续羁押一些重要将领。李愬又在步师城留下一个契胡团，与当地的吐火罗人贵族组成临时政府，然后在步师城以南渡过阿姆河，进入塔希尔王朝境内。
塔希尔王朝由波斯人建立，统治中心位于呼罗珊一带，主要疆域位于今伊朗东部、土库曼斯坦和阿富汗一带，其国都为尼沙普尔(今伊朗马什哈德附近